低地应力区地下洞室围岩变形破坏基本类型及其特征研究

本文以西北地区某市水利工程为例,对低地应力状态下洞室围岩变形破坏类型及其特征进行了研究,提出了低地应力区洞室围岩变形破坏的三种基本类型,即洞顶自重掉落石块型、拱顶横向拉张塌落型和侧壁切向挤压滑落型.这对进一步研究低地应力状态下洞室围岩变形破坏机理,以及围岩稳定治理方案的实施具有理论价值和实际意义.     

低地应力区地下洞室开挖围岩剪应力静态数值模拟研究

本文以西北某市大型水利地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区洞室开挖后围岩剪应力分布与围岩变形破坏进行了数值模拟,总结出了低地应力区地下洞室开挖后围岩剪应力大小、分布规律与围岩变形破坏的关系.该项研究它将有利于进一步研究低地应力区地下洞室开挖后围岩稳定性,同时对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义.     

低地应力区地下洞室围岩压力计算方法及应用

以西北某市水利工程地下洞室泄洪洞等为例,对低地应力区地下洞室围岩压力计算方法与应用进行了研究。研究认为,低地应力区地下洞室围岩压力可分为拱顶横向拉张塌落型、侧壁切向挤压滑落型和洞周自重掉落石块型三种破坏类型产生的围岩压力,并讨论了低地应力区地下洞室围岩压力的计算公式。以研究区引水洞为例,分别计算了拱顶围岩整体滑落和侧壁围岩整体滑落型围岩压力。该项研究成果,它将有利于进一步研究低地应力区洞室围岩稳定性与相应稳定性措施的实施,有助于工程的顺利进行。     

论低地应力区地下洞室围岩稳定性合理支护时间的确定

以西北地区某市水利工程为例,论述了低地应力状态下洞室开挖后围岩产生的3种破坏类型,并依据洞室开挖后围岩变形与时间之间的关系,讨论了低地应力区洞室开挖后围岩合理支护时间的确定问题.这一研究成果对于确保地下工程稳定性措施的及时实施,具有重要的理论价值和实际工程意义.     

远安地堑上白垩统红花套组压实剪切型变形带的微观结构与地层渗透性关系解析

孔隙性砂岩中形成的压实剪切型变形带及其周围的渗透性特征是变形带研究的重要内容之一,由于变形带宽度常为毫米级别,常规渗透率测试方法因分辨率的限制无法满足研究需求。选取远安地堑上白垩统红花套组中不同规模的单条变形带、小型及中大型簇状变形带样品,在对其微观结构进行详细研究的基础上,采用具有高分辨率测试功能的AUTOSCAN进行密集测试,建立了连续渗透率剖面。结果显示,渗透率低值点与变形带有显著对应关系,在渗透率线扫描曲线中呈下拉尖峰特征;不同变形带渗透率异常低值点存在差异,变形带厚度大则异常程度高;不同微观结构要素的渗透率降低程度不同,渗透率由低至高依次为：大型簇状变形带的核心碎裂带<小型簇状变形带的核心碎裂带<带间区域<单条变形带核心碎裂带<边缘过渡区<围岩。分析认为,虽然变形带的厚度和渗透率探测孔的大小会影响探测结果,但变形带的微观结构才是控制渗透率降低程度不同的本质原因。中大型簇状变形带的核心碎裂带密集发育且连续性好,很可能对流体渗流、油气运移等造成较大影响;而单条变形带由于延续性较差,很难真正阻碍流体渗流,而是会增强岩石整体的各向异性特征。     

远安地堑上白垩统红花套组压实剪切型变形带的微观结构与地层渗透性关系解析

孔隙性砂岩中形成的压实剪切型变形带及其周围的渗透性特征是变形带研究的重要内容之一,由于变形带宽度常为毫米级别,常规渗透率测试方法因分辨率的限制无法满足研究需求。选取远安地堑上白垩统红花套组中不同规模的单条变形带、小型及中大型簇状变形带样品,在对其微观结构进行详细研究的基础上,采用具有高分辨率测试功能的AUTOSCAN进行密集测试,建立了连续渗透率剖面。结果显示,渗透率低值点与变形带有显著对应关系,在渗透率线扫描曲线中呈下拉尖峰特征;不同变形带渗透率异常低值点存在差异,变形带厚度大则异常程度高;不同微观结构要素的渗透率降低程度不同,渗透率由低至高依次为：大型簇状变形带的核心碎裂带<小型簇状变形带的核心碎裂带<带间区域<单条变形带核心碎裂带<边缘过渡区<围岩。分析认为,虽然变形带的厚度和渗透率探测孔的大小会影响探测结果,但变形带的微观结构才是控制渗透率降低程度不同的本质原因。中大型簇状变形带的核心碎裂带密集发育且连续性好,很可能对流体渗流、油气运移等造成较大影响;而单条变形带由于延续性较差,很难真正阻碍流体渗流,而是会增强岩石整体的各向异性特征。     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

深部圆形隧道围岩分区破裂的简化梯度模型

分区破裂化作为深部岩体典型的非线性力学现象而备受关注。基于内变量梯度理论,得到圆形隧道围岩应力场、应变场以及位移场的封闭解析解,并与经典弹性理论结果进行比较;分析内檩长度对应力场和变形场的影响规律。由于考虑了微观结构对围岩宏观应力与变形行为的影响,内变量梯度理论得到的应力场和变形场具有显著的波动性与准周期性。结合Mohr-Coulomb破坏准则,估算圆形隧道围岩破裂区的位置及宽度。研究表明,随着初始地应力的增大,圆形隧道围岩破碎区数量增加,且破坏范围向外扩展。最后通过与模型试验结果对比,验证了梯度模型的准确性。提出的梯度模型可以为解释围岩分区破裂化提供一个有效的理论手段。      

含软弱夹层层状隧道围岩变形机理研究

堡镇隧道地质条件复杂,局部地段处于高应力区,围岩变形具有变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长的特征。通过对堡镇隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,不论强度高、节理裂隙发育的砂质页岩,还是处于高地应力、强度低、围岩破碎的炭质页岩,掌子面有软弱夹层分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重的多。因此,依据软弱夹层与掌子面围岩的典型组合情况,结合堡镇隧道所揭示的不同围岩室内三轴试验结果,建立了含软弱夹层围岩的力学模型,探讨了含软弱夹层围岩变形破坏的形成演化过程,揭示了高地应力条件下软弱夹层引起围岩变形失稳的机理。     

层状岩体围岩变形破坏特征及稳定性评价

层状岩体是地下工程中经常遇到的一种岩体,具有明显的各向异性力学性质,其变形破坏特征与均值岩体相比表现得更为复杂。根据共和隧道地质调查和地应力量测的资料分析,隧道围岩偏压现象与地应力和岩性有极大的相关性。通过对隧道初期支护开裂段围岩位移收敛、围岩接触压力、锚杆轴向力监测和松动圈探测,其结果表明,围岩变形及应力和松动圈都在右拱肩处最大,即靠河侧大于靠山侧,与初始地应力的最大主应力方向不一致。因此,通过现场监测提前了解围岩-支护结构的变形及受力状况,及时修改了支护参数,避免了隧道垮塌等恶性事件的发生,从而有效指导了隧道施工和设计。     

高地应力条件下深埋洞室围岩损伤区孕育机制

随着人类地下空间开发活动逐渐走向地球深部,高地应力已成为地下岩体工程典型的地质特征之一,并严重影响深埋洞室围岩的安全稳定。本文首先分析了我国地应力场分布规律,然后分别采用理论计算和数值模拟方法,研究了地应力准静态卸荷及瞬态卸荷条件下围岩损伤的产生机理与演化规律,最后结合加拿大URL地下实验室及锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩损伤检测结果,进一步探讨了高地应力条件下不同卸荷方式对围岩损伤区形成及特征的影响。研究结果表明:与地应力准静态卸荷相比,瞬态卸荷会在围岩中产生一个附加动应力,从而放大围岩径向卸载和环向加载效应,使得围岩更容易受损;随着侧压力系数的增大,瞬态卸荷和准静态卸荷诱发的围岩损伤范围均增大,并且在最小主应力方向上围岩损伤主要表现为剪切破坏,而在最大主应力方向上主要表现为拉破坏。     

高地应力“强度 & 应力”耦合判据及其分级标准

众多地下工程建设始终处于高地应力环境中,岩体初始应力是地下工程围岩变形破坏的先天条件和主导因素。“高地应力”术语及概念出现和地下工程围岩特殊破坏现象紧密联系,属于工程概念范畴。随着地下工程数量越来越多并逐渐向深部发展,高地应力诱发的围岩破坏现象日益显著,严重影响工程稳定性。现有的高地应力定量分级判据多采用强度应力比值形式,没有充分考虑岩石强度、应力两个指标的绝对值大小和耦合关系。本文在讨论现有分级判据、收集实际工程案例数据以及分析高地应力破坏现象显现过程的基础上,提出了高地应力“强度& 应力”耦合判据及其定量分级标准。高地应力“强度& 应力”耦合判据的表现形式为3条考虑岩石饱和单轴抗压强度R_c以及和初始最大主应力σ₁耦合的边界线,边界线以内的区域为高地应力区、边界线以外的区域为低地应力区。该判据特点是既考虑初始最大主应力、岩石饱和单轴抗压强度的绝对值边界条件,同时也考虑两者耦合区间。研究结果表明:基于二维尺度提出的“强度& 应力”耦合判据,针对86个典型地下工程的高地应力判别结果和工程现场高地应力显现形式完全相符,可以在实际地下工程中推广应用。基于“强度& 应力”耦合判据的高地应力区分级标准能较好地判别围岩破坏现象的剧烈程度,可为工程灾害的预防提供参考。     

深埋长隧洞三维地质力学模型试验研究

为了评价深埋长隧洞围岩的稳定性和隧洞间距的合理性,本文采用三维地质力学模型试验技术,研究在高地应力、高外水压力作用下,隧洞围岩整体稳定性以及相邻洞室开挖的相互影响效应,并与三维弹塑性有限元数值计算结果进行对比验证,研究结果表明:地质力学模型试验成果和数值计算结果基本一致,两者得到的位移场、应力场、屈服区范围都基本吻合。在高地应力、高外水压力作用下,工程所在的Ⅲ类围岩隧洞是可以安全成洞的。采用超载法进行试验和计算可知,在Ⅲ类围岩中极限超载安全系数k＞1.3,开挖隧洞对洞周围岩的位移与应力影响区一般小于1倍洞径范围,隧洞的间距是合适的。     

拉西瓦水电站地下厂房三维高地应力反演分析

拉西瓦水电站厂房地处峡谷山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,局部存在构造破碎带,同时开挖尺寸规模巨大,围岩主要为脆硬的花岗岩,对洞室稳定极为不利。为了评判开挖后围岩的稳定及支护设计的长期安全,需要对围岩的岩体力学参数和初始应力场进行反演确定。首先,利用现场初始地应力的实测值反演大范围内的岩体构造地应力场分布,然后,利用洞室分层开挖扰动下,厂房上部关键点实测位移检验并修正反分析地应力结果,得到了较为准确的三维地应力分布,为后续地下厂房开挖围岩的稳定性及支护设计和长期安全的评价与预测,提供了基础数据,有效地指导了厂房开挖施工。厂房开挖完成后的围岩位移的实际监测结果与采用反演地应力场与岩体参数得到的厂房围岩位移值的一致性表明,地应力场反演结果与实际地应力值一致。     

基于可拓理论的高地应力隧道围岩分级法及应用

随着大量深埋特长隧道的修建,地应力问题特别是高地应力问题对围岩分级的影响愈发突出。围岩分级是一个复杂的矛盾问题,目前常用的围岩分级方法是选取固定的几个指标,然后采用集商、求和等方式进行评分分级。但有些围岩分级计算方法不能根据实际地质情况灵活地选取分级指标,而且有些分级指标之间存在相关影响。可拓学理论可将矛盾问题转化为相容问题,是一种值得探索和运用的方法。本文将可拓理论方法与高地应力隧道围岩分级相结合,建立基于可拓理论的高地应力隧道围岩分级法。该方法主要是通过选取能够反映和体现围岩分级的各项重要参数指标岩石单轴抗压强度Rc,RQD指标,岩石完整性指标Kv,地下水状态指标,特别是考虑了地应力值这项重要指标,然后在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上,建立了隧道围岩分级的物元模型; 通过实际的隧道围岩级别关联度的计算,最终确定围岩级别。通过可拓理论围岩分级的实际应用表明,该方法在高地应力隧道围岩分级中具有较好的适用性。     

深部断续节理岩体中渗流对巷道稳定性影响的数值分析

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA2D,通过对高应力节理岩体中巷道的失稳破坏过程所进行的数值模拟分析,研究了深部断续节理岩体中地应力及渗流对巷道稳定性的影响。模拟结果不但直观形象地给出了巷道的渗流场、应力场、破坏区分布,而且得到了巷道周边关键部位的位移变化情况,并与无地下水的稳定性进行了比较。结果表明,岩体中断续节理与地应力及渗流相互作用,对巷道失稳的演化起了重要作用,如巷道与节理的相对方位决定了巷道坍塌的方向;岩桥对巷道的稳定起了重要的作用;虽然渗流应力加速了巷道的失稳破坏,但没有改变高地应力对巷道的主要破坏模式。该研究对于进一步理解深部岩体中节理、地应力及渗流对巷道稳定性的影响进而采取有效的加固措施具有重要的理论和实践意义     

拉西瓦工程河谷区高地应力场反演与形成机理

拉西瓦水电工程坝址区为高山峡谷地貌,受地质构造应力、自重、地表剥蚀和河流侵蚀卸荷等多因素影响而赋存有高地应力,河谷区钻孔岩芯饼化与探洞片状剥落现象明显。由于该区地应力场及其空间分布特征与多期地质构造运动及河谷演化历史等因素密切相关,要合理确定其三维地应力分布状况与大小具有较大难度和复杂性。采用多元回归与逐步回归相结合的方法对工程区域初始地应力场进行了详细反演,在此基础上,深入研究了河谷区地应力场的空间分布特征与规律,并就其形成机理开展了多因素影响效应分析,为我国西部强烈地质作用区高地应力研究及水电工程建设提供了具有参考价值的成果和工程案例。     

考虑流变效应的高地应力软岩隧道断面形态优化研究

高地应力软岩隧道围岩流变效应明显,形变压力导致的仰拱和边墙连接处的应力集中是导致隧道底鼓破坏的重要原因,合理的隧道断面形态有利于减小应力集中,保证隧道长期安全运营。在考虑软岩流变效应的情况下,以有限元软件ABAQUS为平台,通过Python编程实现隧道断面参数化设计和有限元计算,基于结合罚函数的Nelder-Mead函数建立隧道断面优化算法,并以隧道开挖面积,隧道最大仰拱隆起,围岩蠕变损伤区面积,衬砌最大轴力和衬砌最大弯矩为优化目标,对宜-巴（宜昌至巴东）高速峡口隧道断面形态进行优化,为高地应力软岩隧道断面设计提供科学指导。     

柱状节理玄武岩隧洞破坏模式及其力学机制模拟

柱状节理岩体由于其内部赋存大量的隐节理面,开挖卸荷后极易出现隐节理面开裂松弛等特征,导致其破坏模式异于一般岩体。其破坏模式主要受到异常发育的节理面和较高地应力的共同作用影响。由于柱状节理岩体节理面发育,岩体结构控制型破坏占主要部分,包括单临空面节理面滑移（塌方）、多临空面节理面滑移（塌方）、与错动带、断层等弱面相组合的坍塌等破坏模式;应力控制型破坏主要为河谷侧顶拱喷层开裂;应力-结构面型破坏主要为岩性交界处的节理岩体塌落等。柱状节理岩体表层主要发生柱内竖直隐节理面和柱间节理面的拉破坏,而围岩内部的柱状节理主要发生柱间节理面的剪切破坏。因此,现场柱状节理的支护也应主要包括两个方面：以喷射混凝土钢纤维来阻止柱状节理岩体表层的张性开裂,以系统锚杆来控制柱状节理岩体内部的剪切破坏。     

大型水电站厂区三维地应力场回归反演分析

岩体初始地应力场是地下洞室围岩稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一,初始地应力场是否可靠将直接影响到工程设计与施工的可靠性与安全性。结合某水电站厂区的地质条件及地应力实测资料,引入灰色控制系统理论,采用三维有限元法和采用静态的三因素灰色计算模型GM(0, 3)对厂区岩体初始应力场进行回归反演分析。计算结果表明,厂区存在较大的水平向地质构造作用,岩体的地应力由自重和构造应力叠加而成。实测点的计算应力值与实测值在量值上和方向上都较为接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得地下厂房厂区初始应力场较为合理的分布规律,为地下厂房的开挖模拟及稳定性分析提供了合理的初始应力场。